The pipe of CFRP for bicycle frame is designed and made for light weight of bicycle and then its suitability to bicycle frame is verified by comparing the other material i.e. steel, Cr-Mo steel, Al alloy pipe for bicycle frame. The pipe of CFRP is laminated to [0/$\pm$45]$_T$ and made by tape winding method and then its degree of light weight is evaluated by comparing the other pipes which is made by steel etc.
This paper presents the development process for a bicycle monocoque frame using bolt fastening. Traditionally, bicycle frames have been constructed with metal tubes joined at their ends by welding. These frames have been brazed or soldered onto metal lugs, forming the frame. Because stress loads become greatest at the joint of the bicycle tube frame, joint construction strongly influences frame design and construction. To avoid the inherent problems of material discontinuity at frame joints, numerous designers have attempted to reduce or eliminate the number of joints in tube frames. Nevertheless, the manufacture of high quality, reliable, one-piece and jointless frames has proven difficult and expensive. In this study, a new monocoque frame adapted to a hybrid bike is proposed. The advantage of the monocoque frame, is theat is has a rechargeable battery system that is built into the frame; as a result, the emotional quality for the customer is improved. In order to estimate the design compatibility compared with that of tube frames, structural analysis is performed using finite element method. A prototype based on a modified design has also been made and stability testing has been carried out.
서비스 디자인 방법론을 통해 시장의 상황과 사용자가 원하는 니즈를 파악하여 소재 선정에 있어 고려해야 하는 기준을 조사하였고, 이에 따라 자전거 디자인 개발에 있어 CFRP CNT 소재를 선정하였다. 이 소재를 이용하여 자전거 파트 중 프레임 디자인 개발을 진행하였고, 그 이후 시제품 제작 전 진동 감쇄 실험, 인장강도 실험, 강성 실험 결과를 통해 CFRP CNT 소재로 디자인한 자전거 프레임은 강도 및 경량성 등 기능적 측면에서 기존 CNT 소재로 제작된 자전거 프레임보다 향상된 결과를 보여줌으로써 자전거 프레임에 적합하다는 결과를 얻었다.
This study investigates the durability of a two-passenger bicycle frame under non-uniform fatigue load. The bicycle frame of Model 1 installed with reinforcement support has a 20% lower maximum equivalent stress than the existing Model 2. Model 1 has a maximum total deformation that is less than half that of Model 2. Model 1 has a higher maximum fatigue life than Model 2. In addition, Model 1 has lower fatigue damage than Model 2. Thus, the bicycle frame of Model 1 installed with reinforcement support can be described as safer, as it offers more strength than Model 2. Applying this result to the design of a real two-passenger bicycle frame under non-uniform fatigue load can effectively prevent fatigue damage and improve durability.
탄소섬유가 차세대 자전거 프레임의 소재로 자리잡아감에 따라 각 제조사별로 탄소섬유 프레임 개발을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 현재도 탄소섬유의 강성, 내구성, 충격흡수, 경량화, 강도를 중시하며 개발되고 있다. 또한 탄소섬유 자전거모델은 고가 제품으로써, 이에 맞는 개성적이고 차별화된 디자인 컨셉의 제품이 필요하며, 기본적으로 요구되는 구조 역학적 프레임의 개발이 중요하고, 안전성과 조형성이 뛰어난 제품개발과 무엇보다도 자기만의 아이덴티티(Identity)가 필요하다. 본 연구에서는 소비자 요구의 조사연구와 이미지 분석의 과정을 통해 개성적이고 통일된 이미지를 도출하였고, 본 디자인 개발에서는 최근 수요가 급증하고 있는 로드형 자전거를 타켓으로 잡아 탄소섬유를 소재로 한 자전거 프레임 디자인을 개발하고 제안하였다.
While accelerating, bicycle frames are subject to torsion forces and deformation. In this study, bicycle frame durability was evaluated by using structural, fatigue, and vibration experiments. Three types of models were designed by changing the frame configurations according to the shape and direction of a bicycle frame design. Because maximum equivalent stress was greatest at the saddle and at connected parts in Models 1, 2, and 3, these frame sections were most vulnerable to failure. Model 2 was the least safe, due to the increased total deformation and equivalent stresses in the top tube horizontal to the ground. Based on vibration and fatigue analysis results, Model 2 was also determined to be the least safe frame, because the head tube was placed slightly higher above the seat tube and inclined to $10^{\circ}$. These study results can be utilized in the design of bicycle frames by investigating prevention and durability against damage.
오늘날 자전거는 레저용으로 각 회사에서 다양화되고 있다. 각 자전거 메이커로부터 다품종의 자전거가 판매되고 있지만, 구매자가 그 중에서 자신의 신체에 적합한 자전거의 정보를 얻는 것은 쉬운 것은 아니다. 따라서 대부분 구매자의 신체치수를 이용하여 자전거를 구매하고 있다. 이와 같은 방법을 이용하는 것은 표준 신체치수에 의하여 자전거의 치수를 결정하는 방법이다. 그러나 이 방법에 의하여 자전거를 구입하였을 경우 구매자의 신체에 적합한 자전거라고 볼 수가 없다. 본 연구에서는 구매자가 직접 본인의 신체에 맞도록 최적 설계시스템을 조절하여 자전거를 설계한다. 그리고 퍼지제어기를 이용한 주행 시험 장치에서 주행시험을 한다. 그 결과를 이용하여 구매자의 신체에 적합한 자전거인가를 판단할 수 있는 최적 자전거 설계시스템을 연구한 것이다.
This study investigates structural and vibration analyses according to the thickness of bicycle frame tube. The model of bicycle frame has the dimension as length of 862mm, width of 100mm and hight of 402.5mm. There are 3 kinds of models with tubes of top, down and seat at bicycle frame as thicknesses of 10, 15 and 20mm. The maximum displacement and stress occur at the center part of seat stay and at the installation part of rear wheel respectively. Maximum displacements become 0.031936, 0.029159 and 0.027984mm in cases of thicknesses of 10, 15 and 20mm respectively. In case of thickness of 20mm among 3 cases, maximum displacement becomes lowest. But maximum stresses become 10.019, 8.5492 and 9.2511MPa in cases of thicknesses of 10, 15 and 20mm respectively. In case of thickness of 15mm among 3 cases, maximum stress becomes lowest. There is no resonance at practical driving conditions and natural frequency remains almost unchanged along the change of thickness. In case of the displacement due to vibration mode, the displacement difference at thickness between 15mm and 20mm becomes 1/2 times than that between 10mm and 15mm. Design at bicycle frame tube becomes most economical and durable effectively in case of thickness of 15mm among 3 cases.
This study aims to analyze durability by comparing displacement on vibration at driving bicycle frame models of 1, 2, 3 and 4. Among maximum equivalent stresses at 4 kinds of models, model 1 has highest value with 410.39 MPa and becomes 30 times than model 4 with lowest value. The natural frequency number at Model 4 increases more than the other models. Among four models, the number of frequency at model 1 becomes lowest at harmonic vibration with real loading condition. In cases of four kinds of models, the maximum stress is shown near the assembly of rear wheel and the maximum displacement is shown near saddle assembly at this harmonic condition. The structural result about this study can be effectively utilized on the design of bicycle frame by investigating durability and prevention against its damage.
본 논문에서는 Tsai-Wu 파손이론을 적용하여 복합재료 자전거 프레임의 경량화를 위한 강도설계에 대하여 연구하였다. 설계에 있어서 자전거 프레임의 경량화는 중요한 문제이며, 동시에 요구 강도를 만족시켜야 한다. 하중조건으로 유럽표준위원회의 EN14764 규격에 의거하여 페달, 수직, 레벨 하중조건을 적용하였다. 복합재료는 이방성을 가지므로 적절한 적층수 및 적층 순서를 결정하는 것이 중요하다. 따라서 $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ 의 적층에 대하여 적층수를 변화시켜가며(n=1,2,3,4) 연구를 수행하였다. 연구 결과로부터 하중 조건에 따른 자전거 프레임의 취약부와 취약적층을 확인하였고, $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ 이 가장 적절한 적층각 모델임을 제안하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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